Published June 25, 2024 | Version v1
Publication Open

Biomechanical evaluation of screw and cement placement strategies for treating medial uncontained tibial defects in total knee arthroplasty: A finite element analysis

Creators

  • 1. Prince of Songkla University

Description

Total knee arthroplasty faces challenges in the management of medial uncontained tibial defects, affecting prosthesis stability and implant survival. The use of screws and bone cement is a preferred approach; however, optimal screw insertion techniques lack consensus in the existing literature. The present study aimed to address this gap by exploring optimal screw and cement placement strategies, focusing on their biomechanical implications. The present study conducted a finite element analysis using a knee prosthesis model with a defined uncontained tibial defect. Various parameters were systematically adjusted, including the number of screws (1, 2 or 3 screws), screw lengths (10, 18, 30 or 40 mm), lateral‑medial screw positions (2, 4 or 6 mm laterally) and abduction rotation angles (0, 5, 10 or 15 degrees). These adjustments were made to evaluate their specific and combined impacts on the vertical displacement and abduction angles of the tibial tray. The results revealed that incorporating three‑screw reinforcement markedly reduced vertical displacement, while the single screw in the middle position exhibited superior performance in preventing the deformation of abduction angles compared to scenarios with two screws at anterior and posterior positions without a middle screw. Longer screws and smaller abduction angles contributed to decreased movement of the tibial component. Furthermore, the lateral adjustment of the screw position led to an increase in vertical displacement values, reaching ~1.5% when shifted 6 mm laterally. On the whole, the finite element analysis in the present study suggests that, for the treatment of medial uncontained tibial defects, three‑screw reinforcement is advantageous for larger defects. Longer screws and a smaller abduction angle are deemed favorable. Moreover, the results underscore the superiority of medial screw placement over lateral placement. It is imperative to note that further clinical validation is essential to corroborate the biomechanical implications observed herein.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يواجه رأب مفصل الركبة الكلي تحديات في إدارة العيوب الظنبوبية الإنسية غير المحتواة، مما يؤثر على استقرار الأطراف الاصطناعية وبقاء الغرسة. يعد استخدام البراغي والأسمنت العظمي طريقة مفضلة ؛ ومع ذلك، فإن تقنيات إدخال البراغي المثلى تفتقر إلى الإجماع في الأدبيات الحالية. تهدف الدراسة الحالية إلى معالجة هذه الفجوة من خلال استكشاف استراتيجيات وضع اللولب والأسمنت المثلى، مع التركيز على آثارها الميكانيكية الحيوية. أجرت الدراسة الحالية تحليلاً للعناصر المحدودة باستخدام نموذج بدلة الركبة مع عيب ظنبوبي غير محتوٍ محدد. تم ضبط العديد من المعلمات بشكل منهجي، بما في ذلك عدد البراغي (1 أو 2 أو 3 براغي)، وأطوال البراغي (10 أو 18 أو 30 أو 40 مم)، ومواضع البراغي الجانبية الإنسية (2 أو 4 أو 6 مم بشكل جانبي) وزوايا دوران التبعيد (0 أو 5 أو 10 أو 15 درجة). تم إجراء هذه التعديلات لتقييم آثارها المحددة والمشتركة على زوايا الإزاحة والتبعيد الرأسية للصينية الظنبوبية. كشفت النتائج أن دمج التعزيز بثلاثة براغي قلل بشكل ملحوظ من الإزاحة الرأسية، في حين أظهر البرغي المفرد في الموضع الأوسط أداءً فائقًا في منع تشوه زوايا التبعيد مقارنة بالسيناريوهات ذات البرغيين في المواضع الأمامية والخلفية بدون برغي أوسط. ساهمت البراغي الأطول وزوايا التبعيد الأصغر في انخفاض حركة المكون الظنبوبي. علاوة على ذلك، أدى التعديل الجانبي لموضع البرغي إلى زيادة في قيم الإزاحة الرأسية، حيث وصلت إلى حوالي 1.5 ٪ عند إزاحتها 6 مم جانبيًا. بشكل عام، يشير تحليل العناصر المحدودة في الدراسة الحالية إلى أنه لعلاج العيوب الظنبوبية الإنسية غير المحتواة، يكون التعزيز بثلاثة براغي مفيدًا للعيوب الأكبر. تعتبر البراغي الأطول وزاوية التبعيد الأصغر مواتية. علاوة على ذلك، تؤكد النتائج على تفوق وضع البرغي الإنسي على الوضع الجانبي. من الضروري ملاحظة أن المزيد من التحقق السريري ضروري لتأكيد الآثار الميكانيكية الحيوية الملحوظة هنا.

Translated Description (French)

L'arthroplastie totale du genou est confrontée à des défis dans la prise en charge des anomalies tibiales médiales non confinées, affectant la stabilité de la prothèse et la survie de l'implant. L'utilisation de vis et de ciment osseux est une approche privilégiée ; cependant, les techniques d'insertion de vis optimales ne font pas l'objet d'un consensus dans la littérature existante. La présente étude visait à combler cette lacune en explorant des stratégies optimales de placement de vis et de ciment, en se concentrant sur leurs implications biomécaniques. La présente étude a mené une analyse par éléments finis à l'aide d'un modèle de prothèse de genou présentant un défaut tibial non confiné défini. Divers paramètres ont été systématiquement ajustés, notamment le nombre de vis (1, 2 ou 3 vis), les longueurs de vis (10, 18, 30 ou 40 mm), les positions latérales médiales des vis (2, 4 ou 6 mm latéralement) et les angles de rotation d'abduction (0, 5, 10 ou 15 degrés). Ces ajustements ont été effectués pour évaluer leurs impacts spécifiques et combinés sur les angles de déplacement vertical et d'abduction du plateau tibial. Les résultats ont révélé que l'incorporation d'un renforcement à trois vis réduisait considérablement le déplacement vertical, tandis que la vis unique en position médiane présentait des performances supérieures en matière de prévention de la déformation des angles d'abduction par rapport aux scénarios avec deux vis en positions antérieure et postérieure sans vis médiane. Des vis plus longues et des angles d'abduction plus petits ont contribué à la diminution du mouvement de la composante tibiale. En outre, le réglage latéral de la position de la vis a entraîné une augmentation des valeurs de déplacement vertical, atteignant ~ 1,5 % lorsqu'il est déplacé de 6 mm latéralement. Dans l'ensemble, l'analyse par éléments finis de la présente étude suggère que, pour le traitement des défauts tibiaux médiaux non confinés, le renforcement à trois vis est avantageux pour les défauts plus importants. Des vis plus longues et un angle d'abduction plus petit sont jugés favorables. De plus, les résultats soulignent la supériorité du placement médial de la vis sur le placement latéral. Il est impératif de noter qu'une validation clinique supplémentaire est essentielle pour corroborer les implications biomécaniques observées ici.

Translated Description (Spanish)

La artroplastia total de rodilla enfrenta desafíos en el manejo de defectos tibiales mediales no contenidos, que afectan la estabilidad de la prótesis y la supervivencia del implante. El uso de tornillos y cemento óseo es un enfoque preferido; sin embargo, las técnicas óptimas de inserción de tornillos carecen de consenso en la literatura existente. El presente estudio tuvo como objetivo abordar esta brecha mediante la exploración de estrategias óptimas de colocación de tornillos y cemento, centrándose en sus implicaciones biomecánicas. El presente estudio realizó un análisis de elementos finitos utilizando un modelo de prótesis de rodilla con un defecto tibial definido no contenido. Se ajustaron sistemáticamente varios parámetros, incluido el número de tornillos (1, 2 o 3 tornillos), las longitudes de los tornillos (10, 18, 30 o 40 mm), las posiciones de los tornillos lateral-medial (2, 4 o 6 mm lateralmente) y los ángulos de rotación de abducción (0, 5, 10 o 15 grados). Estos ajustes se realizaron para evaluar sus impactos específicos y combinados en los ángulos de desplazamiento vertical y abducción de la bandeja tibial. Los resultados revelaron que la incorporación de un refuerzo de tres tornillos redujo notablemente el desplazamiento vertical, mientras que el tornillo único en la posición media mostró un rendimiento superior en la prevención de la deformación de los ángulos de abducción en comparación con los escenarios con dos tornillos en las posiciones anterior y posterior sin un tornillo medio. Los tornillos más largos y los ángulos de abducción más pequeños contribuyeron a la disminución del movimiento del componente tibial. Además, el ajuste lateral de la posición del tornillo condujo a un aumento en los valores de desplazamiento vertical, alcanzando ~ 1,5% cuando se desplazó 6 mm lateralmente. En general, el análisis de elementos finitos en el presente estudio sugiere que, para el tratamiento de defectos tibiales mediales no contenidos, el refuerzo de tres tornillos es ventajoso para defectos más grandes. Los tornillos más largos y un ángulo de abducción más pequeño se consideran favorables. Además, los resultados subrayan la superioridad de la colocación del tornillo medial sobre la colocación lateral. Es imperativo tener en cuenta que es esencial una validación clínica adicional para corroborar las implicaciones biomecánicas observadas en este documento.

Files

download.pdf

Files (1.7 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d1dbb2f9ed6a8fceabe5eb18018454be
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التقييم الميكانيكي الحيوي لاستراتيجيات وضع اللولب والأسمنت لعلاج العيوب الظنبوبية الإنسية غير المحتواة في رأب مفصل الركبة الكلي: تحليل العناصر المحدودة
Translated title (French)
Évaluation biomécanique des stratégies de placement de vis et de ciment pour le traitement des défauts tibiaux médiaux non confinés dans l'arthroplastie totale du genou : une analyse par éléments finis
Translated title (Spanish)
Evaluación biomecánica de las estrategias de colocación de tornillos y cemento para el tratamiento de defectos tibiales mediales no contenidos en la artroplastia total de rodilla: un análisis de elementos finitos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4400009706
DOI
10.3892/mi.2024.171

Is supplement to
https://openalex.org/W6628501 (Other)
https://openalex.org/W581996473 (Other)
https://openalex.org/W3014307317 (Other)
https://openalex.org/W2722458086 (Other)
https://openalex.org/W2668228314 (Other)
https://openalex.org/W2184440332 (Other)
https://openalex.org/W2183559900 (Other)
https://openalex.org/W2111817142 (Other)
https://openalex.org/W1543792462 (Other)
https://openalex.org/W1537355970 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1993107081
  • https://openalex.org/W1997983236
  • https://openalex.org/W2045611974
  • https://openalex.org/W2059248412
  • https://openalex.org/W2137632226
  • https://openalex.org/W2143432212
  • https://openalex.org/W2156295377
  • https://openalex.org/W2161297188
  • https://openalex.org/W2743805480
  • https://openalex.org/W2917702087
  • https://openalex.org/W3092968626
  • https://openalex.org/W3120189179
  • https://openalex.org/W3182216546
  • https://openalex.org/W4288009938
  • https://openalex.org/W4322628301
  • https://openalex.org/W4386390535
  • https://openalex.org/W4387819876
  • https://openalex.org/W4389189072